Combustión

Combustión
	Amenorgamientu-oxidación y reacción exotérmica (es)

La combustión (del llatín: combustio, -onis) ye toa reacción química, relativamente rápida, de calter notablemente exotérmico, que se desenvuelva en fase gaseosa o heteroxénea (líquidu-gas, sólidu-gas), ensin esixir necesariamente la presencia d'osíxenu, con o ensin manifestación del tipu de llapaes o de radiaciones visibles.^[1]

Dende'l puntu de vista de la teoría clásica, la combustión referir a les reacciones d'oxidación, que se producen de forma rápida, de materiales llamaos combustibles, formaos fundamentalmente por carbonu (C) ya hidróxenu (H) y en dellos casos por azufre (S), en presencia d'osíxenu, denomináu'l comburente y con gran desprendimientu de calor.

Dende un puntu de vista funcional, la combustión ye'l conxuntu de procesos físicu-químicos, polos cualos llibérase controladamente parte de la enerxía interna del combustible (enerxía química) que se manifiesta al esterior so la forma de calor, pa ser aprovecháu dientro d'un fornu o una caldera.^[2]

D'equí p'arriba, tou referir a la teoría clásica. Na realidá, en llugar d'osíxenu puru, la reacción producir con presencia d'aire, que de normal, pa simplificar los cálculos, considérase-y con una composición en volume; de 21% d'osíxenu y 79% de nitróxenu.

Les reacciones que se producen son les siguientes: ${\ce {C{}+O2->CO2{}+33875kJ/kg\;C}}$ ${\ce {H2{}+ 1/2 O2 -> H2O{}+ 143 330 kJ/kg\; O2}}$ ${\ce {S{}+O2->SO2{}+8958kJ/kg\;S}}$

Fases de la combustión

Les reacciones de combustión son en realidá muncho más complexes de lo que puede paecer, debíu principalmente a la enorme rapidez con que s'asoceden les distintes etapes. Hasta la llapada más simple ye la resultancia de munches reacciones químiques cuasi simultánees, que'l so estudiu rique la resolución de problemes d'aerodinámica, de conducción de calor y d'espardimientu molecular.^[3] La teoría clásica simplifica tou esti procesu atendiendo más al resultáu final, qu'a la dinámica del procesu.

Los trés componentes indicaos nun s'atopen como componentes puros, sinón que formen parte d'un compuestu que xeneralmente conocemos como hidrocarburu. El procesu de combustión realizar en tres fases:

Nuna primer fase produzse una prerreacción na que los hidrocarburos descomponer pa reaccionar col osíxenu, formando unos compuestos inestables que reciben el nome de radicales.
La segunda fase ye la d'oxidación, na cual llibérase la mayor parte del calor.
Na tercera complétase la oxidación y fórmense los productos estables que van ser los componentes de los gases de combustión.

Na primer fase, los radicales formaos son bien activos y descomanadamente inestables, de forma que se producen reacciones en cadena na qu'estos evolucionen y sumen d'una forma equilibrada. Cuando los radicales formar a una velocidá cimera a la que reaccionen darréu, la so acumuladura provoca una reacción masivo y violento col osíxenu que se conoz como esplosión. La onda espansiva que se produz pola lliberación súbita d'enerxía, puede algamar velocidaes de tresmisión cimeres a 2500 m/s y suel tar acompañada d'una detonación. Cuando la velocidá d'espardimientu ye inferior a la del soníu, nun hai esplosión y la reacción súbita conozse como españida.

Tipos de combustión

Pueden estremase tres tipos de combustión:

Combustión completa o perfecta: Cuando les reacciones indicaes tán movíes totalmente a la derecha, esto ye, los componentes aferrúñense dafechu, formando dióxidu de carbonu (CO₂), agua líquido (H₂O) y nel so casu, dióxidu d'azufre (SO₂), independientemente de la cantidá d'aire emplegada na reacción. Esto implica que l'osíxenu presente nel aire, foi cuandoquier, abondu p'aferruñar dafechu los componentes.
Combustión estequiométrica o neutra: ye una combustión completa na que s'emplegó la cantidá exacta d'aire llograda a partir de les rellaciones cuantitatives de les molécules qu'intervienen en cada reacción. En realidá tratar d'una combustión ideal, que solo puede consiguise en llaboratoriu.
Combustión incompleta: Ye aquella que los sos gases de combustión contienen compuestos parcialmente ferruñosos llamaos inquemados, como: monóxidu de carbonu (CO), partícules de carbonu, hidróxenu,etc.

Escesu d'aire

La reacción de combustión del C puede escribise de la siguiente manera: ${\ce {C + O2 -> CO2}}$ Les cantidaes en pesu y volume, en condiciones normales a 0 °C y 101,3 kPa de presión, qu'intervienen de cada sustancia na reacción: 12 gramos de carbonu precisen 22,4 llitros^[4] d'osíxenu por que se llogren 22,4 llitros de dióxidu de carbonu.

Si esto produzse esautamente asina, ye lo que se llama reacción estequiométrica. A partir de la cantidá estequiométrica d'osíxenu y teniendo en cuenta que l'aire contienlo nun 21% del so volume, podemos calcular el aire mínimo necesariu p'apurrir l'osíxenu estequiométrico.

Pa un combustible, que contién un determináu porcentaxe en pesu de carbonu, hidróxenu y azufre, calcúlase l'osíxenu necesario p'aferruñar cada elementu y la suma d'estes cantidaes va ser el aire mínimo necesariu pa quemar dafechu una unidá del mesmu.^[5]

Na práutica, como yá se dixo, apurriendo a un procesu de combustión esta cantidá d'aire mínimo, nun se llogra una combustión completa. Nun hai qu'escaecer que nun procesu industrial, tanto'l combustible como l'aire tán en movimientu, lo que fai que l'amiestu combustible-comburente nun seya homoxénea. Si a esto añader; la velocidá de les reacciones, l'escasu tiempu de permanencia del amiestu na cámara y les variaciones de temperatura, la resultaos ye qu'una fracción del combustible escapa pela chimenea ensin quemase, o a lo menos, non totalmente.

Cuando una partícula de carbonu, nun atopa l'aire abondo pa quemar, la reacción que se produz ye: ${\ce {C{}+1/2O2->CO{}+10204kJ/kg\;C}}$ Esto significa que per cada kilogramu de C que pase a CO, piérdense 23.671 kJ, amás de la peligrosidá qu'implica la formación de monóxidu de carbonu.

Faise pos imprescindible, apurrir un escesu d'aire (n),^[6] esto ye, una cantidá mayor de la estequiométricamente necesaria, por que toles partícules de combustible atopen l'osíxenu abondo p'aferruñase totalmente.

Podría llegase a la conclusión de qu'apurrir enforma aire garantiza una combustión completa y por tanto ye una bona estratexa. Sicasí, tol aire añadíu non necesariu, entra y sale de la cámara de combustión ensin faer otra cosa que calecer, lo cual supón una perda de calor y por tanto una baxada del rendimientu. Lo eficaz, arriendes d'ello, va ser añader l'escesu d'aire xusto pa consiguir una oxidación completa.

Productos de combustión

Los fumos o productos de combustión tán formaos polos gases resultantes de les reacciones; dióxidu de carbonu, vapor d'agua y óxidu d'azufre cuando lo tien el combustible, según el nitróxenu correspondiente al volume d'aire utilizáu. Tamién puede atopase osíxenu y nitróxenu procedentes del aire ensin utilizar, óxidos de nitróxenu^[7] y dacuando otros gases que pudieren formar parte del aire apurríu.

El so cálculu realizar de la mesma forma indicada pal osíxenu, a partir de les reacciones de combustión y cuntando col escesu d'aire utilizáu. La suma de los volumes llograos pa cada gas más el nitróxenu conteníu nel aire mínimo, tou ello multiplicáu pol coeficiente (n) d'escesu d'aire, da como resultáu'l volume de gases húmedos. Si na suma nun se tien en cuenta l'agua formada, llógrase'l volume de gases secos.^[8]

La rellación ente'l volume de CO₂ y el volume total de gases secos, ye la concentración d'esti componente en base seca, máxima que puede midise nos analises normales de los gases de combustión. El llogru nun analís d'un valor menor, significa:

Que s'utilizó un escesu d'aire mayor del necesariu, yá que anque la cantidá de CO₂ seya la prevista, la concentración mengua, yá que aumenta'l volume de gases nel que s'eslee. Nesti casu tamién va apaecer O₂ nel analís, tantu más cuanto más escesu d'aire.
O bien, parte del carbonu nun s'aferruñó, de normal por defectu d'aire, y nesi casu van atopase nel analís cantidaes de monóxidu de carbonu (CO), puede apaecer H₂ y con muncho defectu d'aire partícules de carbonu ensin quemar (sarriu).

Tamién puede apaecer monóxidu de carbonu con escesu d'aire, sobremanera con combustibles líquidos, por cuenta de una mala atomización del combustible y a un defectu d'amiestu combustible-comburente.

Poder caloríficu

Teoría de la llapada

La llapada puede definise como una reacción de combustión que s'arrobina al traviés del espaciu, a velocidá inferior a la del soníu. El conceutu de llapada implica'l de movimientu y poro, un frente de meyora de la reacción denomináu frente de llapada.

La forma que tien la llapada, o masa de combustible en combustión, depende del mediu téunicu que prepara'l combustible, el comburente, l'amiestu de dambos y apurre la enerxía d'activación,^[9] que ye'l quemador.

Por que tenga llugar la combustión tiense qu'algamar la temperatura de ignición,^[10] bien cimeru a la del puntu d'inflamación que ye aquella na que'l combustible ta en condiciones d'empecipiar la combustión, pero si retira la enerxía d'activación, la llapada apágase. A partir d'ello, toles reacciones de combustión nes sos distintes fases, tienen llugar nesti mediu gaseosu que ye la llapada. Una vegada empecipiada, si apúrrense'l combustible y comburente abondos, a la mesma velocidá con que s'arrobina'l frente de llapada, la llapada estabilízase y persiste, anque se retire la enerxía d'activación inicial.

La velocidá d'espardimientu de la llapada depende de cada combustible, del so mayor o menor grau de pureza y del escesu d'aire con que s'efectúa la combustión. La temperatura de la llapada depende del poder caloríficu, del escesu d'aire y del tipu de llar o cámara de combustión.^[11] Conozse como temperatura teórico de llapada adiabática a la mayor temperatura que puede llograse d'un combustible, que algámase cuando nun hai escesu d'aire.^[12] En cuanto a los color, depende del combustible. Polo xeneral puede dicise que ten de ser clara y lluminosa, ensin productos fumientos. Cuando hai falta d'aire, la llapada escurezse y fumia por cuenta de partícules de carbonu incandescentes.

Ver tamién

Referencies

↑ Giuliano Salvi. La combustión, p. 4.
↑ Campsa. Manual Téunicu sobre l'usu de combustibles líquidos na Industria.
↑ Giuliano Salvi. La combustión (teoría y aplicaciones), p. 158.
↑ Volume molar: volume qu'ocupa un mol, esto ye, 32 gramos d'osíxenu nesti casu, ó 44 gramos pal dióxidu de carbonu.
↑ En munchos testos, a esti valor d'aire mínimo necesariu llámase-y poder comburívoro del combustible.
↑ Llámase coeficiente d'escesu d'aire (n) a la rellación ente l'aire realmente utilizáu y el estequiométricamente o mínimu necesariu $n=A_{real}/A_{m}$ y escesu d'aire $=n-1*100$ en %.
↑ Ricardo García San José. calor eficiente_y53f312y.pdf Emisión de contaminantes.
↑ Esti conceutu tamién se conoz col nome de poder fumígeno húmedu o secu según considérese o non l'agua formada.
↑ Nos quemadores davezu suel llograse por aciu una chispa llétrica ente dos electrodos, nes calderes individuales de gas llograr por llapada piloto, filo incandescente, etc.
↑ Temperatura a la cual una vegada empecipiada la llapada yá nun s'escasta, anque se retire la enerxía d'activación.
↑ Nos quemadores más comunes de les calderes de calefacción, la llapada puede algamar una temperatura alredor de 1700 °C.
↑ Puede devasase esta temperatura por aciu un precalentamiento de combustible y comburente .John R. Howell. Principios de termodinámica pa inxenieros, p. 496.

Bibliografía

Giuliano Salvi. La combustión (teoría y aplicaciones). Dossat S. A. ISBN 8423704254.
Campsa. Manual téunicu sobre l'usu de combustibles líquidos na industria.
Catalana de Gas y Lletricidá. Aforru d'enerxía na industria (usu racional de los combustibles). Index. ISBN 8470872257.
John R. Howell & Richard O. Buckius. Principios de termodinámica pa inxenieros. McGraw Hill. ISBN 9684225717.

[1] Giuliano Salvi. La combustión, p. 4.

[2] Campsa. Manual Téunicu sobre l'usu de combustibles líquidos na Industria.

[3] Giuliano Salvi. La combustión (teoría y aplicaciones), p. 158.

[4] Volume molar: volume qu'ocupa un mol, esto ye, 32 gramos d'osíxenu nesti casu, ó 44 gramos pal dióxidu de carbonu.

[5] En munchos testos, a esti valor d'aire mínimo necesariu llámase-y poder comburívoro del combustible.

[6] Llámase coeficiente d'escesu d'aire (n) a la rellación ente l'aire realmente utilizáu y el estequiométricamente o mínimu necesariu $n=A_{real}/A_{m}$ y escesu d'aire $=n-1*100$ en %.

[7] Ricardo García San José. calor eficiente_y53f312y.pdf Emisión de contaminantes.

[8] Esti conceutu tamién se conoz col nome de poder fumígeno húmedu o secu según considérese o non l'agua formada.

[9] Nos quemadores davezu suel llograse por aciu una chispa llétrica ente dos electrodos, nes calderes individuales de gas llograr por llapada piloto, filo incandescente, etc.

[10] Temperatura a la cual una vegada empecipiada la llapada yá nun s'escasta, anque se retire la enerxía d'activación.

[11] Nos quemadores más comunes de les calderes de calefacción, la llapada puede algamar una temperatura alredor de 1700 °C.

[12] Puede devasase esta temperatura por aciu un precalentamiento de combustible y comburente .John R. Howell. Principios de termodinámica pa inxenieros, p. 496.

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